輸油氣管道自動化系統控制器的應用

張葉學

【摘要】本文主要探討輸油氣管道自動化系統常用控制器。

【關鍵詞】輸油氣；管道自動化系統；控制器

【Abstract】This article focuses on oil and gas pipelines automation system commonly used controllers.

【Key words】Transport of oil and gas；Pipeline automation system；A controller

一般來說，油氣田及管道自動化技術的基本內容就是采用合適的自動化設備對生產過程進行監測、分析和控制。以油田生產為例，一般包括采油、注水、集輸、油氣水處理和油氣儲運等幾個過程二這些過程的完成首先需要借助于安裝在油水井、采注計量站、接轉站、脫水站、含油污水處理站、原油穩定站、天然氣處理站、注水站、油庫中的工藝設備以及連接這些站間的管線來實現，但要很好地完成生產任務僅靠這些工藝設備還是不夠的，還需要有各種自動化設備以及生產的操作和管理人員。

1. 管道自動化概述

由于輸油管道多為長距離輸油管道，一般管徑大、運輸距離長。有些管道要經過自然環境惡劣、交通不便的地域，人工管理勞動強度大、成本高、效率低、穩定性不好，特別是隨著現代社會對能源依賴程度的提高，使輸油管道承擔的任務加重，迫切地需要提升自動化水平。同時，隨著計算機技術、自動控制技術、通信技術等現代科技的飛速發展及廣泛應用，自動化技術不斷成熟，自動化設備性能穩定、價格下降，自動化進人輸油管道已成為可能。可以預見，隨著當代科學技術的飛速發展和人們對輸油管道自動化日益迫切的要求，輸油管道自動化水平會越來越高。

2. 輸油氣管道自動化系統及其控制

管道自動化和控制涉及儀器儀表、閥門、泵和壓縮機等各種設備。通常，管道系統通過泵或壓縮機實現長距離輸送油品或天然氣。我們也可以通過控制閥門來開通或隔離管道以實現維修或應對緊急情況，也可以通過控制閥門來控制壓力。設置計量站則可以對管道運行進行監測。

2.1管道和閥門的監測和控制。

（1）采氣廠、氣田、油田、煉油廠、儲存設備等地方是管道系統的供應源，通過調節源頭的輸油（輸氣）量可以達到控制管道的目的，這就是對管道最基本的控制。然后，管道輸送公司依據合同方案中委托的輸送量來控制管輸量和流速，以確保管道輸送量與下游客戶接收量能夠保持一致。對于供應源來說，維持方案規定的管輸系統的管輸流量是其首要任務，當然管道輸送公司也可以使用控制閥來控制管輸壓力。

（2）另外一種控制管道的方式就是通過閥門作業可以隔離管道段或開啟管道段。這種控制方式是利用SCADA監控和數據采集系統對指定部位的閥門進行開關作業從而實現指定管道段的通斷。目前，國際上先進的管道系統都使用了干線截斷閥自動化技術，這種技術可以保證在出現管道泄漏或斷裂時該段干線管道能及時關閉，從而避免出現重大的安全事故。

（3）流量、壓力以及溫度是管道系統自動化所監測的三個基本物理量。而對于液體輸送管道來說，泄漏檢測、批量跟蹤和油罐儲量這幾個參數則值得關注。

2.2泵站、壓縮機站的監測和控制。

（1）對于大多數管道來說，對流量和壓力的控制主要是通過控制泵或壓縮機的開關來實現的。為了實現這一點，SCADA系統作業員首先要設定好設備啟動或關閉的指令以及控制的參考設定點，然后發出設備啟動或關閉的指令就可實現對管道流量和壓力的控制。

（2）在液體管道上，泵通常是由恒速電動機驅動的，這也限制了SCADA系統作業員對管輸量的靈活調節。基于這個原因，泵站設置了多臺機組。這樣可以通過泵機組串聯克服摩擦損失，而作業員就可以通過泵機組并聯實現對管輸量的靈活調節。

（3）大部分管道壓縮機是由燃氣輪機或往復式壓縮機提供動力的，這些設備可以靈活地控制排出壓力和流量。大部分壓縮機站都采用并聯方式，串聯只用于需要高壓頭的情況。

2.3計量站的監測和控制。

2.3.1在SCADA系統中，計量站主要是一個信息顯示終端。它們提供的計量信息用于對管輸量的控制和監測，幾乎很少用于管道系統的實際控制。

2.3.2近年來，在固定輸油管道SACADA系統中，常常使用PLC（可編程序邏輯控制器）來代替RTU作為控制器。

2.3.3遠程控制中心的主要功能是支持整個固定輸油管道的操作運行，包括主計算機、本地網絡、通信處理機。控制中心的主計算機對所有泵站的主要工藝參數進行監視、控制和數據采集，其主要功能有：（1）通過通信通道向各個RTU采集主要工藝參數及運行狀態；（2）向各被控泵站發送控制指令，通過泵站控制系統執行完成；（3）運行參數、狀態顯示、動態趨勢顯示、歷史趨勢顯示、模擬流程顯示；（4）運行事件、資料存儲、記錄；（5）運行報表打印、事故狀態報告打印；（6）數據處理；（7）系統故障檢測、報警，工程應用開發研究，模擬培訓；（8）系統重新組態；（9）管道模擬系統工作管理。

3. 輸油氣管道自動化系統的控制部分

3.1硬件結構。

3.1.1管道系統自動化和控制所使用的硬件很多，這些硬件一方面要有高性能，另一方面要能相互兼容。目前，硬件在性能、數據存儲、顯示和用戶接日技術方面發展很快，并且在未來將繼續保持這種快速的發展。

3.1.2以前，不同的管道公司使用不同廠家的硬件，這些硬件不能互相兼容。隨著計算機技術的發展和行業標準化的形成，如今大多數J一家的硬件都是按國際上通用的工業標準制造的，所以能夠相互兼容、相互通用。因此，SCADA系統也從只具有唯一的SCADA應用程序的單一網絡發展成為建立在國際通用的IT標準并與公司應用程序互聯，能夠供有資質的用戶使用的安全網絡。四個層次分別是現場、遠程通信、SCADA系統和企業。

3.1.3實時服務器采用一種從RTU獲得數據的遠程通信方一式。實時數據包含在“運行”服務器中，該服務器存儲最新的實時數據，并有備用服務器。另外一種服務器用于儲存歷史數據庫和軟件應用程序。用戶與計算機間互動的網絡方式有：（1）高速局域網（供SCADA作業員使用）。（2）廣域網（供公司外部業務使用）。（3）企業內部網（供公司員工使用）。（4）互聯網（供客戶和其他利益相關團體使用）。SCADA系統層是一個高速局域網，通過防火墻與企業層分離來保證其安全。為了實現可靠性，通過采用冗余網絡和雙智能冗余開關及網絡卡在網絡中建立了安全可靠的通信。

3.1.4現代網絡技術可以實現集散型硬件系統的可靠運行。一般除了主要的控制中心外，還可以建立衛星控制中心以備用。這樣，在主控中心發生問題時備用控制中心就可以代替主控中心。管道自動化系統可實現對輸油過程中管道及泵站設備的監測控制及數據采集，系統主要由兩部分組成：輸油泵站自動控制系統及調度中心的全線輸油狀態監測及數據采集系統。

3.2軟件結構。

軟件同樣也從技術發展和標準化中獲益。應用三級結構最為常見。這三級分別是：（l）管理數據庫引擎的數據層。（2）提供企業規則的功能過程層。（3）向用戶界面顯示結果的顯示層。因為這些層之間存在標準接口或中間件，新某一層的元件。典型SCADA軟件結構IT和SCADA系統主要采用n級結構，其中所以可以在不影響其他層的情況下升級。調度控制中心計算機系統的服務器是計算機系統的核心，運行各種軟件，采集各站的過程數據；擔負整個系統的實時數據庫和歷史數據庫的管理、網絡管理等重要工作。為提高可靠性，主要的服務器采用冗余配置。其性能應適合工業用硬件和軟件的標準，應具有容錯和自診斷能力。

參考文獻

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